張 偉，任占杰，李曉力，張愛軍

（1.中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.北京振沖工程股份有限公司，北京 100024；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100）

1 研究背景

軟弱覆蓋層是我國大壩建設(shè)中經(jīng)常遭遇的不良地基形式，可分為深覆蓋層、淺弱覆蓋層和可液化覆蓋層等多種形式。軟弱覆蓋層地基一般位于河流中央的泥沙淤積區(qū)，大部分處于飽和狀態(tài)，且以淤泥和中細(xì)沙最為軟弱，易發(fā)生液化。在覆蓋層較淺的情況下一般采用清除、換填的方式進(jìn)行處理，當(dāng)覆蓋層較深時往往需要采用復(fù)合地基的形式進(jìn)行處理。振沖碎石樁復(fù)合地基是當(dāng)前水利工程中應(yīng)用較多的軟弱覆蓋層地基處理形式［1］，具有施工工藝簡便、制樁速度快、能顯著提高地基承載力、改善地基變形能力、消除地基液化［2］的特點(diǎn)。本文以河北豐寧抽水蓄能電站下水庫攔沙壩壩基處理工程為例，探討了振沖碎石樁在壩基加固中的應(yīng)用。

2 工程概況

河北豐寧抽水蓄能電站是世界最大的抽水蓄能電站，規(guī)劃裝機(jī)容量3600MW，建設(shè)規(guī)模一等大（Ⅰ）型。在京津唐電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。其中水庫攔沙壩為復(fù)合土工膜心墻堆石壩，壩頂高程為1066.0m，最大壩高23.5m，壩頂長度548m，壩頂寬度8.0m，壩上部防滲采用土工膜的形式，基礎(chǔ)防滲采用混凝土防滲墻。

圖1 攔沙壩地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面

攔沙壩位于豐寧抽水蓄能電站攔河壩上游約3.2km，壩址區(qū)河床表層的淤泥質(zhì)粉土厚度為4～11m，下伏砂卵礫石層厚約21～24m，基巖為灰窯子溝單元細(xì)?；◢弾r。淤泥質(zhì)土主要以粉砂、粉粒為主，含有少量黏粒和膠粒，天然密度為1.56～1.97g/cm3，塑性指數(shù)為9.2～33.2，數(shù)值變化較大。工程場地50年超越概率10%的峰值加速度為0.45g，地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.45s，工程場地地震基本烈度為Ⅵ度。

振沖樁設(shè)計樁徑1.2m，間排距1.5m，梅花形布置，面積置換率50%，處理深度要求入砂卵礫石層1 m，約10～13m。壩基處理總面積約6萬m2，總長度約36萬m，共3萬余根樁。處理后的壩基應(yīng)滿足如下要求：承載力特征值≥250kPa、土體等效黏聚力csp≥7.25kPa、土體內(nèi)摩擦角φsp≥30°。

3 振沖碎石樁地基試樁研究

3.1 試樁方案受灤河尚未截流影響，河床水位較高，最終選擇攔沙壩右岸壩軸線下游側(cè)的壩基臨近區(qū)域進(jìn)行試樁試驗，以驗證振沖樁的適用性，確定施工設(shè)備、施工參數(shù)和施工工藝等。

施工前先將試驗部位的淤泥覆蓋層挖除至1044m高程（原地面高程為1047m），上覆30～50cm石渣作為施工平臺。受場地條件限制，試驗樁體共布置5排，每排9根，共45根，單樁長約13m，樁間距1.5m，樁排距1.5m，樁徑1.2m。制樁采用BJ75型75kW電動型振沖器，16～25t汽車吊進(jìn)行振沖作業(yè)，1.5～3m3裝載機(jī)供料，碎石料粒徑為2～12cm。施工參數(shù)：制樁電壓為380V，波動超過±20V；加密電流90A，留振時間10～12s，造孔水壓0.4～0.6MPa，加密水壓0.3～0.5MPa，加密段長度30～50cm。

3.2 試樁檢測結(jié)果試驗于2014年10月20日至10月31日完成樁基施工。由于當(dāng)時現(xiàn)場氣溫較低，無法進(jìn)行現(xiàn)場荷載試驗，因此將檢測時間推遲到了2015年的4月18日至5月4日，分別對復(fù)合地基的承載力、樁身密實度、樁身材料抗剪強(qiáng)度、樁間土的物理力學(xué)指標(biāo)等進(jìn)行了測試。試驗結(jié)果詳見表1～表3和圖1～圖3。

圖2 單樁復(fù)合地基靜載荷試驗曲線

表1 單樁復(fù)合地基靜載荷試驗成果

3.3 試樁結(jié)果分析（1）從表1單樁復(fù)合地基靜載荷試驗成果統(tǒng)計表可以看出，處理后的單樁復(fù)合地基承載力特征值分別為350kPa、350kPa、400kPa，平均值為366kPa，這表明采用振沖碎石樁處理攔沙壩壩基可以有效提高地基承載力，采用BJ75型75kW振沖器，按現(xiàn)有的施工參數(shù)基本可以滿足攔沙壩壩基的設(shè)計要求。

（2）根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，振沖碎石樁樁頭1.0～1.5m范圍內(nèi)，周圍土體圍壓較小，易形成松散樁體［3］。本次試驗樁施工時，對樁頂部采取了返插措施，使得樁頂部范圍內(nèi)碎石樁更密實，從圖3重型動力觸探擊數(shù)曲線可以看出，頂部3m范圍內(nèi)的樁體較4～6m段密實，說明返插有助于提高樁體密實度，在正式施工時應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)4～6m處的樁體密實度控制，以增強(qiáng)壩基整體穩(wěn)定性。

從圖3還可以看出，在7～8m深度處，擊數(shù)較大，8～11m深度處，擊數(shù)迅速降低，并從11m深度處擊數(shù)開始又逐漸增加。結(jié)合勘察資料以及現(xiàn)場情況，試驗區(qū)域0～6m范圍內(nèi)主要為淤泥質(zhì)土層，7～8m處存在地質(zhì)硬夾層，11m以下地層漸變?yōu)樯奥训[石層。

（3）從表2室內(nèi)試驗成果統(tǒng)計表可以看出，經(jīng)振沖加密后黏土的a1-2值多大于0.5MPa-1（室內(nèi)固結(jié)試驗共進(jìn)行25組，其中有17組大于0.5 MPa-1，表2僅列出10組），表明試樁范圍內(nèi)的黏性土的高壓縮性仍未消除。從表3細(xì)砂、粉砂標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計表可以看出，經(jīng)振沖加密后的粉砂、細(xì)砂土層均達(dá)到稍密以上，液化特性得到了消除。綜合以上原試驗及室內(nèi)試驗的數(shù)據(jù)成果，粉砂、細(xì)砂土層振沖加密后液化性基本消除，振沖加密對黏性土的高壓縮性的改善程度十分有限，施工階段應(yīng)重點(diǎn)對黏性土的壓縮性的改善情況進(jìn)行控制［4］。

圖3 重型動力觸探修正擊數(shù)曲線

表2 室內(nèi)試驗成果（部分）

4 振沖碎石樁地基施工

正式施工階段，清除壩基表層淤泥質(zhì)土至設(shè)計高程，鋪填1 m碎石墊層作為施工平臺，采用BJ75型75 kW振沖器，并根據(jù)實際造孔情況對工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)［5］。

4.1 施工時發(fā)現(xiàn)的問題工程于2016年5月3日開始，初期進(jìn)場4個班組，在壩基左右岸進(jìn)行試生產(chǎn)，調(diào)試設(shè)備并確定施工參數(shù)，至5月10日，共完成樁體517根，共3213m。生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了如下問題：（1）振沖料堆存不當(dāng)導(dǎo)致骨料分離。振沖料為砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)，最大粒徑12cm，由于骨料堆料較高，骨料分離現(xiàn)象非常嚴(yán)重；（2）地層地質(zhì)情況掌握不到位。壩基的地層情況與試樁時相比出現(xiàn)了較大變化，除淤泥質(zhì)土層外，部分區(qū)域還存在相當(dāng)厚度的砂層，造成擴(kuò)孔困難、孔口淤砂嚴(yán)重、設(shè)備磨損較大，影響施工效率；（3）地質(zhì)硬夾層穿透困難。地質(zhì)硬夾層厚度約為2～3m，穿透硬夾層的時間較長，部分樁體可達(dá)30min，造孔電流偏大，瞬時電流可以達(dá)到150A，卡鉆、電機(jī)燒毀時有發(fā)生；（4）終孔標(biāo)準(zhǔn)不明確。設(shè)計要求振沖樁深入砂卵礫石層1m，但由于地層情況掌握不準(zhǔn)確，經(jīng)常造成設(shè)備長時間在砂卵礫石層造孔，設(shè)備損耗較大，保養(yǎng)時間加長，不但降低了施工功效，還易形成塌孔。

表3 細(xì)砂、粉砂標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計

4.2 針對問題采取的對策針對試樁和試生產(chǎn)階段出現(xiàn)的問題，在施工過程中采取了如下措施。

4.2.1 加強(qiáng)現(xiàn)場儲料區(qū)振沖料的質(zhì)量管控 ①要求每班都要現(xiàn)場檢查振沖料的質(zhì)量情況，做好檢查記錄；②及時通知第三方試驗室現(xiàn)場取樣，進(jìn)行現(xiàn)場顆粒篩分試驗；③為避免振沖料骨料分離，使用前用1.5m3裝載機(jī)拌勻后再用于施工；④對碎石料含泥量高、超徑石較多、級配不符合要求的振沖料進(jìn)行退場處理。

4.2.2 對地質(zhì)情況重新摸底 ①將整個施工區(qū)域劃分為10個區(qū)域，作業(yè)隊伍每到一個區(qū)域先施工5～10根樁作為試驗樁，詳細(xì)記錄好造孔、加密每一階段的施工情況。主要記錄不同深度振沖器的下沉速度、孔內(nèi)返漿、造孔電流的變化以及塌孔卡鉆等異常情況；②每孔完成后對記錄進(jìn)行分析整理，對照地勘報告詳細(xì)掌握地層情況；③施工記錄匯總分析：對樁體施工過程的匯總整理，發(fā)現(xiàn)整個壩基施工區(qū)大致分為兩類區(qū)域，左壩基的低液限黏土地層和右壩基的砂土地層，詳見圖4，圖5。

低液限黏土地層特點(diǎn)：6～11m處出現(xiàn)地質(zhì)硬夾層，造孔困難，造孔電流經(jīng)常大于120A，瞬時甚至超過150A；其余段振沖器下沉順暢，成孔速度快，但容易塌孔，在加密階段出現(xiàn)加密時間長，填料多，不易達(dá)到加密電流。

砂土地層特點(diǎn)：整個地層以細(xì)砂土為主，返出漿液含砂較多，局部見中砂，經(jīng)常造成排污泵阻塞，并導(dǎo)致振沖樁施工面抬高；加密時制樁電流較大，吃料量明顯減小，達(dá)不到設(shè)計置換率要求。

4.2.3 調(diào)整施工工藝參數(shù)與施工措施 在對地層情況充分了解之后，從以下5個方面對生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整［6］。

（1）淤泥質(zhì)粉土、低液限黏土地基塌孔縮徑應(yīng)對措施。加快振沖器的下沉速度，減小造孔時間；為防止孔壁過早坍塌，提前進(jìn)行填料，用碎石進(jìn)行護(hù)壁，然后再繼續(xù)造孔；減小造孔水壓，將水壓調(diào)整至0.3MPa，防止水流過大將泥漿帶出過快，保證孔壁穩(wěn)定性。

圖4 低液限黏土地層

圖5 砂土地層

（2）低液限黏土、粉土地層加密時難以達(dá)到設(shè)定加密電流的應(yīng)對措施。調(diào)整施工參數(shù)，將加密電流從90A調(diào)整到95A，留振時間從10s延長至15s；將加密水壓增至0.6MPa，盡量多填料，增大置換量，減小孔隙率，縮短加密長度，取30cm加密長度下限，若多次未達(dá)到加密要求，應(yīng)繼續(xù)提升振沖器向上加密，加密2m左右時進(jìn)行一次反插，若仍未達(dá)到加密電流要求，則進(jìn)行多次反插，直至加密電流達(dá)到要求。

（3）地質(zhì)硬夾層較難穿透的應(yīng)對措施。增大造孔水壓至0.6MPa，增加上下提升頻率來加快振沖器穿透質(zhì)密砂層。

（4）重新制定終孔標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計要求振沖樁深度需入砂卵礫石層1m，主要目的是為了避免出現(xiàn)軟弱下臥層。根據(jù)地勘報告和生產(chǎn)時的造孔情況，可知砂卵礫石層以上僅在6～11m處存在一硬夾層。因此當(dāng)造孔深度大于11m，此時地質(zhì)硬夾層已經(jīng)穿透，應(yīng)將振沖器下沉速度作為終孔標(biāo)準(zhǔn)，下沉速度小于25cm/min，持續(xù)5min下沉速度無太大變化時，造孔結(jié)束。

（5）砂質(zhì)地層返砂較多，吃料較少。從成因上看：砂質(zhì)地層粗顆粒較多，部分粗顆粒無法隨造孔水流排出孔外，占據(jù)了部分樁體體積；樁周土體經(jīng)多次振動加密后已十分密實，致使加密時碎石料對周邊土體的側(cè)向擠出效果不明顯，無法形成設(shè)計要求的樁徑，碎石消耗量減少。對可液化砂土層，處理側(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在振密而不是擠密［7］。

為此在施工時制定了如下措施：（1）增加造孔水流和加密水流，將水壓統(tǒng)一設(shè)定為0.6 MPa，以利造孔排沙；造孔完成后增加清孔次數(shù)，以利擴(kuò)孔；加密時減小加密段長度，增加反插次數(shù)，同時提高加密電流5A至95A，增加留振時間，加強(qiáng)振密效果。（2）由于砂質(zhì)地層造孔時排砂效果顯著，若不及時清理會導(dǎo)致作業(yè)平臺升高，要求現(xiàn)場每天對孔口淤沙進(jìn)行清理，維持作業(yè)平臺高度。

5 碎石樁地基質(zhì)量評價

攔沙壩振沖樁工程于2016年10月10日完工，施工振沖樁29 168根，共367 142m，處理壩基67 353m2，完工后對地基處理效果進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對地基的處理質(zhì)量進(jìn)行評價。

5.1 地基質(zhì)量評價方法碎石樁地基質(zhì)量評價應(yīng)首先對體數(shù)量、樁徑、樁位偏差等常規(guī)性項目進(jìn)行檢查，檢查項目應(yīng)滿足設(shè)計及規(guī)范要求。除此之外還應(yīng)結(jié)合原位測試、室內(nèi)試驗的測試結(jié)果，從碎石樁體的樁體密實度、樁間土密實度、復(fù)合地基承載力、復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度四個方面進(jìn)行評價。

平板載荷試驗是復(fù)合地基承載力檢測最常用的檢測方法，通過調(diào)整承壓板大小及樁土承壓情況可檢測地基的多樁復(fù)合地基承載力、單樁復(fù)合地基承載力、單樁地基承載力。但平板載荷試驗受反力裝置限制，通常僅進(jìn)行單樁復(fù)合地基或單樁地基承載力的檢測，結(jié)果也僅反應(yīng)地基表層發(fā)生的局部剪切破壞，不能反映地基深部的承載力。若想得到地基深部的承載力，只能通過其它原位測試手段（如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、重型（超重型）動力觸探等）進(jìn)行判定。本工程采用的承壓板為1.5m×1.5m，最大加載1200kN，分四級加載，測定復(fù)合地基承載力及沉降量，用來判別單樁復(fù)合地基的承載力特征值；為消除鋪填1m碎石墊層及地下水影響，試驗在壩基開挖的寬6m、長7m、深1m試坑中進(jìn)行，并在試坑一角設(shè)置集水坑和排水泵，確保試驗期間地下水位低于載荷板0.5m。

樁體密實度采用常規(guī)的重型（超重型）動力觸探儀，密實樁標(biāo)準(zhǔn)為動力觸探平均貫入10cm的錘擊數(shù)大于7，小于標(biāo)準(zhǔn)值為不密實樁［8］。樁間土處理效果則采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法進(jìn)行評價，以標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)和室內(nèi)試驗壓縮模量、壓縮系數(shù)綜合評價樁間土密實程度。

復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是反應(yīng)地基壩坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，最直接的檢測方法是原位直剪試驗，但由于加載系統(tǒng)、反力系統(tǒng)設(shè)置較為復(fù)雜，費(fèi)用較高，工程上通常在樁間土、樁體碎石室內(nèi)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗公式計算得出。

5.2 地基質(zhì)量評價根據(jù)設(shè)計要求，振沖碎石樁復(fù)合地基應(yīng)滿足地基承載力特征值≥250kPa、復(fù)合土體等效黏聚力csp≥7.25kPa、復(fù)合土體內(nèi)摩擦角φsp≥30°。本文結(jié)合設(shè)計及規(guī)范要求對復(fù)合地基的處理質(zhì)量進(jìn)行評價。

單樁復(fù)合地基靜載荷試驗共進(jìn)行75組，最大荷載為533.3kPa，承載力特征值不小于267kPa，滿足設(shè)計承載力250kPa的要求，見圖5。

樁體密實度。樁體密實度重型（超重型）重力觸探試驗共進(jìn)行300組，修正后的重型（N63.5）動力觸探最小擊數(shù)為8擊，平均值均在20擊以上，樁體密實度較高，推算樁體承載力不小于720kPa。

樁間土密實度。樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗選點(diǎn)8處，采集試驗數(shù)據(jù)70組，根據(jù)試驗結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)均大于15，處理后的粉砂、細(xì)沙密實程度為中密以上，承載力為180～340kPa，壩基的液化特性得到了消除；樁間土室內(nèi)土工試驗共進(jìn)行了70組，干密度均值為1.47g/cm3，孔隙率均值為43.82%，孔隙比均值0.79，滲透系數(shù)均值4.32×10-5cm/s，粘聚力均值20KPa，內(nèi)摩擦角均值27.5°，壓縮系數(shù)av（0.1-0.2）均值為 0.201MPa-1，壓縮模量 Es（0.1-0.2）均值為 13.13MPa，僅 5 組試樣的 av（0.1-0.2）值大于 0.5MPa-1，樁間土高壓縮性基本消除，見表6。

（4）復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。樁體材料、振沖碎石料室內(nèi)剪切試驗各進(jìn)行了3組，試驗結(jié)果見表7?？梢钥闯觯F(xiàn)場樁體取料的黏聚力、內(nèi)摩擦角平均值大于人工破碎料的黏聚力。主要由于振沖碎石樁采用水成法成樁，碎石在樁體中起骨架作用，泥漿沉淀物會將骨架之間的孔隙填充密實，進(jìn)而形成比較連續(xù)的顆粒級配，咬合、剪漲作用減小。

圖6 單樁復(fù)合地基靜載荷試驗曲線（部分）

根據(jù)《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5214-2016）4.2.4條，復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算公式：

式中：φsp為振沖復(fù)合土體的等效內(nèi)摩擦角，°；φp為樁體材料的內(nèi)摩擦角，°，本文取40.7°；φs為振沖復(fù)合土體的等效內(nèi)摩擦角，°，本文取27.5°；μp為應(yīng)力集中系數(shù)；csp為振沖復(fù)合土體的等效黏聚力，kPa；cs為樁間土黏聚力，kPa，本文取21.8kPa；m為面積置換率；n為樁土應(yīng)力比，樁體應(yīng)力比，無實測值時取2～4，樁間土強(qiáng)度低時取大值，樁間土強(qiáng)度高時取小值，本文取2。

表6 黏性土體室內(nèi)試驗

表7 不同試驗密度下樁體材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)上式可計算復(fù)合土體內(nèi)摩擦csp為7.27kPa，φsp=36.76°，復(fù)合土體的等效黏聚力剛剛滿足大于7.25kPa的要求，這與上述公式在計算時將碎石樁體的黏聚力按0考慮不甚恰當(dāng)有關(guān)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，復(fù)合土體強(qiáng)度應(yīng)不小于土體的抗剪強(qiáng)度，因此復(fù)合土體凝聚力和內(nèi)摩擦角滿足設(shè)計要求。

綜合以上結(jié)果，本次振沖碎石樁各項指標(biāo)滿足設(shè)計及規(guī)范要求，樁體、樁間土密實，復(fù)合地基承載力特征值、復(fù)合土體內(nèi)摩擦角滿足設(shè)計要求，地基處理效果較好。

6 結(jié)論

本文以豐寧抽水蓄能電站攔沙壩壩基處理工程為對象，針對該地基中存在的問題開展了應(yīng)用研究，總結(jié)出了一套使用于本工程地基加固施工工藝和質(zhì)量控制方法，其結(jié)論如下：（1）采用BJ75型75kW電動型振沖器，電壓380V，波動超過±20V；加密電流90A，留振時間10～12s，造孔水壓0.4～0.6MPa，加密水壓0.3～0.5MPa，加密段長度30～50 cm，在砂土地層、低液限黏土地層中振沖碎石樁成樁效果良好，可提高壩基承載力，消除砂土地層液化，但在處理黏性土層高壓縮性方面效果不明顯，但通過加大反插次數(shù)及深度，縮短加密段，提高加密電流，可有效降低黏性土壓縮性。（2）通過采取碎石護(hù)壁，減小造孔水壓、加密段長度，增大加密電流，增加反插次數(shù)的方法，可以有效解決淤泥質(zhì)土塌孔縮徑、樁體不密實的問題；通過增大造孔水流、加大水壓、加密電流，減小加密段的長度的方法，提高了砂土地層的造孔質(zhì)量；通過增大造孔水壓，增加振沖器上下提升頻率，可以加快振沖器穿透地質(zhì)硬夾層的速度；根據(jù)地勘報告和現(xiàn)場造孔情況，將振沖器下沉速度小于25cm/min，持續(xù)5 min無太大變化作為終孔標(biāo)準(zhǔn)，減少了設(shè)備磨損，提高了造孔效率。（3）根據(jù)樁間土、現(xiàn)場樁體取料、振沖碎石料的室內(nèi)剪切試驗結(jié)果，按照復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算公式計算得復(fù)合土體黏聚力csp為7.27Pa，φsp=36.76°，復(fù)合土體的等效黏聚力剛剛滿足大于7.25kPa的要求，主要由于公式在計算黏聚力時并沒有考慮樁體黏聚力cp值的影響，但實際復(fù)合土體內(nèi)黏聚力已經(jīng)大于設(shè)計要求。（4）試樁對工程的指導(dǎo)意義巨大，而本工程試樁投入太少，規(guī)模太小，僅在一處開展了一種樁距的試樁試驗，若設(shè)計三種不同置換率的布樁形式和兩個位置的試樁［9］，將更具有施工指導(dǎo)意義，工程技術(shù)人員可根據(jù)現(xiàn)場工程實際情況及工程經(jīng)驗，在地基設(shè)計或工后評價階段，充分發(fā)掘振沖碎石樁復(fù)合地基的承載潛力。